[发明专利]一种用于燃料电池的中温电解质膜及制备方法

说明书

本发明属于燃料电池电解质膜的技术领域，提供了一种用于燃料电池的中温电解质膜及制备方法。该方法通过硫酸铯与硫酸制取硫酸氢铯晶体，并研磨为粉末，然后通过热压成膜制得硫酸氢铯薄膜，然后将金属或金属合金通过蒸发镀膜在硫酸氢铯薄膜表面形成一层合金层，即可制得中温电解质膜。与传统方法相比，本发明的制备的硫酸氢铯膜在中温条件下的质子的迁移速率，导电率高，稳定性好，工作温区高，循环使用寿命长，安全性佳，并且制备过程简单易控，可推广应用。

技术领域

本发明属于燃料电池电解质膜的技术领域，提供了一种用于燃料电池的中温电解质膜及制备方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池以离子交换膜为电解质、以铂为氧化剂、氢气或重整气为燃料、空气或氧气为氧化剂的一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化成电能的发电装置，是一种高效、节能、安全可靠的新型环保电池。适用于交通、电站、可移动电源及潜艇等多种用途，具有广阔的市场前景，已引起越来越多的国家和企业的重视。

质子交换膜燃料电池是由膜电极和带气体流动通道的双极板组成。其核心部件膜电极是采用一片聚合物电解质膜和位于其两侧的两片电极热压而成，中间的固体电解质膜起到了离子传递和分割燃料和氧化剂的双重作用，而两侧的电极是燃料和氧化剂进行电化学反应的场所，具有工作温度低、启动速度快、模块式安装和操作方便等优点。

迄今为止，质子交换膜燃料电池的阴极和阳极有效催化剂以铂为主，电解质以全氟磺酸型质子交换膜为主，其工作温区较窄，对水含量控制要求较为精密，而低温下铂催化剂容易出现一氧化碳中毒，因而质子交换膜燃料电池工作温度要求较高，导致能量转换效率较低，因此中温条件下的电解质膜是目前研究的重点。其中，硫酸氢铯在中温范围内具有较高的质子电导率，成为近年来的研究热点。硫酸氢铯由于在还原气氛下与氢气发生反应产生大量硫化氢气体，降低其质子电导率和循环性能。因此对于解决硫酸氢铯在反应过程中的稳定性具有十分重要的实际意义。

目前国内外在中温条件下燃料电池电解质膜，尤其是硫酸氢铯电解质膜方面已取得了一定成效。其中李海滨等人发明了一种中温质子交换膜及其制备方法（中国发明专利申请号201710326667.4），中温质子交换膜包括耐热聚合物基体和含氧酸盐，含氧酸盐装载于耐热聚合物基体中，制备的中温质子交换膜不仅具有高的质子电导率、良好的热稳定性，而且具有出色的机械性能，其适宜于工作在100-400℃温区，运行温度低于熔融碳酸盐电解质，由此能够采用高机械强度的柔性聚合物作为支撑基体，装载熔融态含氧酸盐，此发明公开的熔融质子导体电解质膜，制备工艺简便，适合工业化生产；同时其廉价的原材料有助于降低电解质膜以及燃料电池的成本，有望在中温燃料电池领域、以及相关需要中温质子传导电解质膜的领域得到广泛应用。另外，沈杭燕等人发明了一种复合质子交换膜的制备工艺（中国发明专利申请号201510481139.7），以聚偏氟乙烯作为有机聚合物基底，添加复合质子导体通过热压工艺制备成复合质子交换膜，复合质子导体是固体硫酸氢铯和介孔氧化铝粉末通过湿球磨法制得，此发明制备的复合膜组装成的单电池在145℃下具有电池性能，可用于高温质子交换膜燃料电池。

可见，现有技术中的全氟磺酸聚合物电解质膜工作温区较窄，低湿度和高温条件下电导率低，使用铂催化剂时容易出现一氧化碳中毒，而新兴的用于中温条件的硫酸氢铯电解质膜在铂催化剂条件下易与氢气发生反应分解，从而降低其质子电导率、循环性能和稳定性，阻碍了硫酸氢铯电解质膜的发展。

发明内容

针对这种情况，我们提出一种用于燃料电池的中温电解质膜及制备方法，使用硫酸铯和浓硫酸按照化学计量比混合溶解后，通过蒸发结晶研磨后获得硫酸氢铯粉体，将粉体通过热压成硫酸氢铯薄膜，最后通过蒸发镀膜在表面沉积一层合金层，即得中温电解质膜。可有效抑制氢气与硫酸氢铯的直接接触，从而提高电解质膜的稳定性，提高质子交换膜的工作温区。

为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：